特大断面小净距地下车站围岩压力特征的研究（可编辑）

特大断面小净距地下车站围岩压力特征的研究（可编辑） 特大断面小净距地下车站围岩压力特征的研究 特大断面小;争距地下车站围岩压力特征研究 ? 重庆大学硕士学位论文 学术学位 学生姓名:王来斌 指导老师:靳晓光教授 专 业:土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学科门类:工 学 重庆大学土木工程学院 二一二年五月 ? ’ .: , 中文摘要 摘 要 随着我国城市轨道交通的发展,特大断面地下车站的修建数目逐渐增多,由 于出现的时间较短,其理论研究远远落后于工程实践,对特大断面车站围岩 压力 分布规律尚未有统一的认识。有时为满足工程结构和使用性能的需要以及受特殊 地质环境的影响,不得不修建特大断面小净距地下车站,其围岩压力特征变得更 加复杂,但其 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和施工又必须解决这一问题。因此,研究特大断面小净距地下 车站的围岩压力特征具有更重要的理论意义和工程实用价值。 本文在分析重庆市轨道交通六号线一期礼嘉车站工程地质条件的基础上,结 合前人的研究成果,通过理论分析和数值模拟对车站开挖过程中的围岩压力分布 规律及压力拱特征进行了研究,具体研究内容如下: ?分析总结出车站先行洞和后行洞开挖时围岩压力的计算方法,并根据计算 方法分别计算出不同埋深下的先行洞和后行洞拱顶竖直压力和水平侧压力。 ?根据有关压力拱的研究,结合礼嘉车站的特点,分别得到了车站先行洞和 后行洞开挖时压力拱内、外边界的判别 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 ?对车站进行应力分析,并根据先行洞和后行洞压力拱内、外边界判别标准, 通过数值模拟分别得到了埋深、围岩力学参数和施工方法对先行洞和后行洞开挖 时压力拱内、外边界的影响规律。 ?根据礼嘉车站工程特点,建立二维有限元数值模型,分析了车站不同施工 步下围岩压力的变化情况,同时改变车站的埋深和净距,分别得到了不同埋 深和 净距下的围岩压力。 ?选取车站典型断面,对围岩压力的理论分析值和数值模拟值进行了对比, 并分析了二者之间差别的原因。 关键词:地下车站;围岩压力;理论计算;压力拱;数值模拟 , ?. ,? . ? .。 , . . . .. . , ,. : ? ,. , .? .. ? ,.? , . 重庆人学硕士学位论文 .,?. . ; : ; ;; 目 录 目 录 中文摘要 英文摘要??. 绪 论.选题背景及研究意义.国内外研究现状? ..隧道同岩压力计算方法研究现状. ..隧道同岩压力拱特征研究现状?. ..隧道围岩压力数值模拟研究现状. .研究的主要内容及技术路线..主要内容? ..技术路线? 礼嘉车站工程概况 .车站设计简介.车站工程地质条件 ..地形地貌? ..气象 ..地质构造? ..地层岩性? ..水文地质条件?.. ..场地稳定性及地震效应..地面建筑.. ..不良地质现象?.. .场地试验测试资料及设计参数. ..波速测试一 ..重型动力触探试验 ..水文测试.. ..岩、十体设计参数 .本章小结. 特大断面小净距地下车站围岩压力计算方法 .先行洞开挖围岩压力理论计算. ..界定深浅埋的计算理论? 重庆大学硕士学位论文 ..常用围岩压力理论??一 ..计算结果一 .后行洞开挖围岩压力理论计算. ..小净距隧道深浅埋的划分方法一 ..深埋小净距双洞隧道罔岩压力的计算.. .浅埋小净距双洞隧道同岩压力的计算.. ..计算结果.. .本章小结. 特大断面小净距地下车站围岩压力拱特征研究?.. .压力拱形成原理. .采用数值方法进行研究的可行性??. ..有限元法的特点一 ..材料本构模型?.. ..地下车站的开挖模拟?.. ..基本假设.. .先行洞开挖时围岩压力拱研究. ..先行洞开挖数值模拟?.. ..压力拱边界的确定??一 ..埋深对压力拱规律的影响??一 ..围岩力学参数对压力拱规律的影响?一 ..施工方法对压力拱规律的影响一 .后行洞开挖时围岩压力拱研究. ..后行洞开挖数值模拟?一 ..压力拱边界的确定??一 ..埋深对压力拱规律的影响??.. ..围岩力学参数对压力拱规律的影响?一 ..施工方法对压力拱规律的影响.. .本章小结. 特大断面小净距地下车站围岩压力特征分析 .计算模型的建立. ..基本假定一 ..模型参数的选取一 ..网格划分一 ..计算范围确定?一 目 录 ..边界条件及荷载确定..施工序.. ..关键分析部位确定 .数值分析. ..车站典型断面同岩压力特征..埋深对车站同岩压力的影响..净距对车站 同岩压力的影响.理论计算与数值分析结果的对比??. .本章小结. 结论与展望 .主要研究结论?. .存在问题及展望. 致 谢??. 参考文献??. 附 录??一 够 .作者在攻读硕士学位期间发表的论文 鳄 .作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果? 鳄 绪论 绪 论 .选题背景及研究意义 地下铁道,以它的快速、正点、安全、舒适、大适量、低能耗、小污染的优 点越来越为城市居民所青睐,可望成为世纪城市公共交通的主要工具。根据《重 庆市主城区轨道交通线网控制性详细规划》,到年,重庆主城区将形成“六线 一环”基本轨道交通网线,共.;到年实现“九线一环”的线网格局,线 路总长。目前,重庆市轨道交通建设已进入到高速推进阶段,根据国家发 改委正式批准的《重庆市城市快速轨道交通建设规划调整,在 年前,重庆将投入约亿元,建设总长约的轨道交通线路,基本形成“畅 。 通重庆规划”的轨道交通骨架网络【 受地形特征限制,为节省土地、降低噪音、减少干扰、节约能源,大部分城 市轨道交通线路建设于地下。由于所处地质条件、埋深等因素的差异,所采用的 施工方法差异较大。目前普遍采用的施工方法有明挖法、盖挖法、暗挖法、盾构 法等。一般来说,像上海、杭州等地区,普遍采用盾构、明挖、盖挖等方法。而 重庆、青岛等城市,主要以暗挖矿山法及法为主。 目前重庆轨道交通地下车站普遍采用隧道结构,具有特大跨度、高边墙、超 大断面的特点。已施工或准备开始施工的一、二、三、六号线路车站普遍跨度在 .以上,断面积超过.。 重庆暗挖车站隧道支护结构均采用复合式衬砌,初期支护为喷锚,二次衬砌 为模筑钢筋混凝土。初期支护承受施工期间的荷载并控制地面沉降量,设计参数 一般通过工程类比确定,辅以计算验证,施工期间根据监控量测数据动态调整。 二次衬砌视为复合衬砌中的永久承载构件,按荷载一结构法进行计算,按可能发 生的最不利情况下的水压力及初期支护劣化引起的荷载转移对二次衬砌进行验 算。 近几年来,随着我国城市地铁的建设,大跨小净距隧道逐渐出现增多的趋势。 但由于出现时问较短,对围岩压力及变形的分布规律、围岩稳定性的判别基准尚 未有统一的认识。目前可供参照的《铁路隧道设计规范》 ?,是在 借鉴单线和双线铁路隧道成熟建设经验的基础上编制的,适用隧道跨度一般在~ 的范围之内;《公路隧道设计规范》 ?主要适用于双车道隧道, 应用于三车道隧道尚需加以深入研究。因此,目前尚未有成熟的规范及研究 成果 可供地铁车站大跨小净距隧道借鉴。 由于大跨车站隧道~与普通隧道~ 在跨度上存在较大的差别,重庆大学硕士学位论文 导致隧道支护结构受力及开挖应力重分布的情况更加复杂。不同设计单位基于认 识不同,在相似地质条件下,特大断面隧道的支护结构参数存在较大的差别,由 此引起的每延米工程造价差别在几万元之问。对于二次衬砌,同样是按荷载一结 构法进行设计计算,有的单位竖向荷载按隧道拱顶以上全部土柱重量计算,考虑 岩土层破裂楔形体下滑所受的摩擦阻力作用;而有的单位在上述荷载取值的基础 上进行了折减,折减系数.~.。同时,由于作用于计算模型上的弹簧系数选用 数值的不同,对结果影响也较大。 目前国内外对大跨小净距车站隧道的研究更是少见,像最大跨度.、高度 、最小净距仅.且地层复杂的重庆礼嘉地下车站在国内外没有先例。显然, 由于没有一套成熟的标准及研究成果作指导,大跨浅埋小净距车站隧道的结构设 计及施工具有一定的盲目性,迫切进行系统性、针对性、综合性的研究。因此进 行特大断面超小净距地铁隧道围岩压力特征的研究具有重要的实际意义。 .国内外研究现状 ..隧道围岩压力计算方法研究现状 地下结构施工时,造成周围岩体及其支护结构变形破坏的力称为围岩压力。 它由两部分组成,一部分为地应力引起的围岩压力,另一部分为阻止围岩变形而 作用在支护结构上的力。从广义的角度来理解,围岩压力包括围岩有支护和围岩 无支护两种情况;既包括直接作用在如支撑或者衬砌等普通传统支护上所显示的 力学形态,也包括作用现代支护上如喷锚和压力注浆上所显示的力学形态。狭义 上所说的围岩压力仅是指作用在支护结构上的压力。在实际应用中,我们一般研 究狭义上所指的围岩压力口。。 按照作用力发生的形态,一般可将围岩压力分为变形压力弹性变形压力、 塑性变形压力、流变压力、松动压力、膨胀压力和冲击压力。按照力的作用方向 可将围岩压力分为垂直方向压力、水平方向侧压力以及底部压力。现实中有很多 能够影响围岩压力的因素,主要包括岩体结构、洞室尺寸与形状、结构强度、地 下水、洞室埋深与地质构造以及信息化施工的程度等因素【。 连续介质力学模型是目前为止岩土体力学主要采用的模型。在实际应用中, 主要采用的力学模型有弹性模型、弹塑性模型、乳弹塑性模型、散体力学模型等。 解析法、数值分析法、特征曲线法和剪切滑移破坏法是目前为止求解岩体力学模 式的主要方法【/。引。 俄国的普罗托奇雅阔诺夫是最早提出围岩压力理论计算方法的学者,普氏在 年给出了关于松散地层和破碎岩体的松动压力公式,提出了围岩分类方法谷 兆祺等【】。和利用土压力理论来估算作用在衬砌结构上的压 绪论 力分布情况及大小, 【川。泰沙基利用应力传递法于年得到了 松散岩体的围岩压力计算公式沈明荣。美国学者于年提出了围 岩压力计算公式同济大学【川。 工程围岩分类到了年代以后,由定性向定量、由单因素向多因素的综合评 价方向发展,并且得到了具有多种因素特征的围岩压力计算公式。其中挪威的 的系统分类和南非波兰籍学者的分类中预测围岩压力 的计算公式具有很好的代表性。通常,芬纳公式、卡斯特奈公式等是主要针对隧 道围岩的各种破坏形式、形变压力的计算公式,而普氏理论、郎肯公式、库 伦公 式等是主要针对松动压力主要采用的计算公式于学馥【】。 除此之外,许多学者分别通过理论计算重庆建筑工程学院,符华兴、 反分析法 ,杨林德等、现场监控量测 , , 夏才初等】以及实验室模型试验谢锦昌,王戍平等等手段来研究隧道 的围岩压力,得到了一些重要的成果。 鉴于确定围岩压力较为复杂,经验公式法到目前为止仍然是应用广泛,计算 围岩压力较为成熟的方法。目前,可将经验公式法归纳为两种类型,一种类型是 基于或者分级体系的指数类型公式。这种类型公式的特点是综合了多种 因素的影响,但是由于考虑的指标较多且指标的选取具有较强的主观性,通常计 算结果因人而异,工程技术人员在使用上存在不便。另一种类型是基于泰沙基理 论、普氏理论以及规范法的形式,这种类型考虑的因素较为单一,使用起 来方便,因此广泛应用于我国的隧道及地下工程行业川。 ..隧道围岩压力拱特征研究现状 人们早己认识到岩土地下工程中存在着拱效应现象。一百多年以来,已经有 多位学者对地下工程在施工过程中存在的拱效应现象进行了不同程度的研究。 年,英国科学家罗伯特研究发现粮仓地面所承受的力在粮食堆积 到一定程度后达到最大值并保持不变,即所谓的“粮仓效应”,这就是我们通常 所说的压力拱现象口引。瑞士技术学院的.通过对隧道拱顶下沉的研究,得 出了无粘结材料中存在拱效应的结论,这是世界上首次提出在隧道开挖中存在拱 效应【 。接着法国的法约尔通过物理实验总结出了岩石拱的概念,得到 了岩石拱可以减小洞室顶部变形的结论口引。年俄国学者普罗托奇雅阔诺夫创 立了普氏理论,从而加深了自然平衡拱的研究【 。年,通过实验证 实砂体中也存在拱效应,并进行了相应的力学分析九。年, . 首次描绘出拱形为近似于悬链线的主应力流线】。黄子平,挪威 研究院于年对自然拱的判别作了初步的研究。年,梁晓丹 【】等用数值模拟对拱进行分析,对压力拱拱体进行定义,通过应力分析确定拱体重庆大学硕士学位论文 的边界。年,喻波,王呼佳‘利用大型有限元软件对隧道压力拱特 征进行了详细的研究,得到了隧道压力拱边界的确定方法及影响隧道压力拱的因 素。另外,文献.研究了双隧道的合理间距和埋深的关系;文献对不同开 挖方式下地下硐室围岩压力拱的演变机理进行了研究;文献对围岩压力拱和锚 固压缩拱的空问关系进行了研究;文献通过实验得到了压力拱与巷道围岩稳定 的关系;文献【探讨隧道压力拱和围岩变形的关系;文献利用围岩压力拱的 原理得到了大断面隧道的深浅埋的划分标准;文献利用数值模拟分析了煤矿采 矿过程中压力拱的演化特征。 根据查阅文献,隧道压力拱的研究主要集中在单洞、且跨度不大的隧道,对 特大断面小净距隧道压力拱的研究未见报道,研究隧道压力拱对分析隧道围岩的 压力具有特别重要的意义。 ..隧道围岩压力数值模拟研究现状 隧道开挖前的应力状态为原岩应力状态。随着开挖的进行,其应力状态也由 原岩应力状态转变为二次应力状态。开挖后进行有效地支护,围岩应力状态由二 次应力状态转变为三次应力状态。由此可见,隧道施工过程中进行着复杂的应力 重分布。在结构设计时,能够准确掌握大断面隧道围岩和支护结构在施工过程中 的位移和应力状态是十分关键的。传统解析法由于岩土材料多为非连续和非线性, 加之荷载模式与边界条件较为复杂,无法准确描述隧道施工过程中的应力重分布。 近些年来,数值分析法在现代数学和力学的基础上,借助于现代计算机技术得到 了迅速的发展。数值分析法由于操作简单,能够处理地下工程中的非线性、非连 续问题,且得到的结果准确,广为人们所接受。 目前,有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法和无界元法等是地下工 程中计算分析中常用的分析方法。但就实用性和应用的广泛性而言,有限元 法的应用范围较为广泛。有限单元法自上世纪年代以来,已经成为岩土力学的 主要手段之一。近年来,随着岩土力学的发展,使得有限单元法更加趋于成熟。 能够正确划分计算范围和边界条件,正确输入岩体参数和初始应力场,如何采用 特殊单元来考虑岩体的非连续性和边界效应是学习和应用有限元法解决实际问题 的关键。有限差分法能够进行大变形分析,但是对于处理几何形状复杂的边界条 件时,精度不够。边界元法具有准备数据少、计算时间短的优点,主要用于求解 无限均质弹性域的边值问题,但是不能很好解决岩体材料非线性、非连续性 的问 题。离散元法主要应用于解决非连续问题的。无界元法主要用于解决计算范围和 边界条件不容易确定的问题,与有限元法结合起来使用较为完美。 近些年来,城市地铁隧道建设规模不断扩大,随之出现了很多大断面隧道的开 挖问题。对此,有限元法在预测和分析方面发挥了很大的作用。陈竹涛利用大型 绪论 有限元分析软件对重庆轻轨大坪车站的几种施工方法进行了二维和三维 的数值模拟,并将模拟结果与监控量测数据进行了对比,从而得出了最为适合的 工法。刘惠敏等采用有限元软件,以北京地铁号线光华路站侧洞为研 究对象,对法施工的几种不同工序进行了比较与分析,得到了最为优化的施 工 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ;张冰针对大跨度小净距隧道设计与施工中出现的问题,以实际工程为依 托,进行了有限元分析,并将分析结果和现场监控量测结果进行了对比,得到了 。 一些重要的结论,为大跨度小净距隧道的设计和施工提供了理论依据【 在围岩压力数值计算方面,王震利用/大型有限元软件分别模拟了 单洞隧道、小净距隧道、双连拱隧道的围岩压力并与常用的理论计算做了对 比, 得出了一些结论【。朱正国利用有限元软件模拟了不同跨度连拱隧道的围岩压力荷 载并与常用的围岩压力理论计算做出了对比,发现了一些问题,并提出了改进的 方法【。针对常用计算围岩压力的理论及隧道规范多是在以往普通断面隧道的基础 上得出的,其计算大断面隧道有误差,同济大学的曲海锋提出了适用于大断面隧 道的计算方法,并与试验和有限元分析做了对比【。 .研究的主要内容及技术路线 ..主要内容 本论文根据重庆市轨道交通六号线一期工程礼嘉车站大断面、小净距的特点, 通过理论分析计算施工过程中围岩压力的大小,运用大型有限元软件/研 究车站在施工过程中围岩压力拱变化特征及其规律,建立二维有限元模型来分析车 站的围岩压力。具体研究内容如下: ?特大断面小净距地下车站围岩压力计算方法 利用现有隧道围岩压力理论,结合礼嘉车站隧道特征及所处的地质情况,分 别计算出车站先行洞和后行洞开挖时不同埋深情况下的围岩压力。 ?特大断面小净距地下车站围岩压力拱特征研究 利用/软件对礼嘉车站进行数值模拟,从而得出施工过程中先行洞和 后行洞开挖时的围岩压力拱特征,提出压力拱特征的影响要素,分析不同要素情况下 压力拱分布特征,从而得出特大断面小净距地下车站的压力拱规律。 ?特大断面小净距地下车站围岩压力特征分析 利用/软件建立有限元模型,分析车站开挖过程中围岩压力的变化 情况;在礼嘉车站的基础上,分别改变不同的埋深和净距,分析车站的围岩压力, 从而得出埋深和净距对围岩压力的影响;选取车站典型断面将数值分析值和理论 计算值进行对比,从而得出理论计算和数值分析的差别,并分析其原因。重庆大学硕士学位论文 ..技术路线 问题的提出 上 查阅国内外相关书籍、文献等资料 上 调研收集依托工程相关资料 、 , 上 通过有限元软件分析施 建立二维数值分析模 理论分析围岩压力大 型对围岩压力进行数 工过程中围岩压力拱特 小 征及其形成规律 值分析 论 结 图.技术路线.. 礼嘉车站二程概况 礼嘉车站工程概况 .车站设计简介 重庆市轨道交通六号线一期工程由上新街至礼嘉,走向为东南方向至西北方 向,纵贯核心城区和区,为渝中区和江北区、北部新区的南北方向轨道交通 干线。沿途与一号线小什字、三号线红旗河沟、四号线红土地、五号线 冉家坝、环线上新街、五里店、冉家坝及远景线网的九号线江北城等 六条轨道交通线相交并形成换乘。联接商圈、红旗河沟长途汽车北站、冉家 坝在建的市级行政中心,大竹林~礼嘉组团。礼嘉车站具体地理位置如图. 所示 图.礼嘉车站地理位置图..礼嘉站起点里程.,终点里程.,总长.。 采用双岛四线,双拱双层结构。两拱之间净岩柱.~。暗挖法施工,复合式衬 砌,结构内空净宽.。 车站主体位于待建的重庆儿童医院下方,地面尚无大型建筑,施工中主要是 重庆人学硕士学位论文 控制地面沉降。礼嘉站利用车站施工便道及渡线明挖段基坑开挖。车站含四个风 道及三个出入口通道,一个紧急疏散口。车站的站址环境及平面布置如图.所示。 图.礼嘉车站平面及站址环境图 图.礼嘉车站标准横断面图..车站的结构设计尺寸应满足其使用功能的要求,应满足结构各种状态下承载、 变形要求,应满足施工的要求。本车站主体最大开挖跨度为.米,围岩级别 级,根据《铁路隧道设计规范》,从结构受力的合理性出发,采 用曲墙仰拱的五心圆马蹄形断面。车站断面的净空尺寸满足地铁建筑限界、车站礼嘉车站程概况 建筑功能及各种设备使用功能的要求、施工工艺的要求,并考虑施工误差、结构 变形和位移等因素给出了必要的富裕量。车站标准横断面图如图.所示。 .车站工程地质条件 ..地形地貌 车站所处地区原始地貌宏观上属构造剥蚀浅丘地貌,中间高四周低,现场地 经整平,大部分地势较为平坦,地面标高为~,相对高差;场地南、 北两侧为斜坡地形,为坡体开挖和弃土堆积而成,岩质边坡地形坡角约。,土质 边坡坡角约。。 ..气象 车站所处地区内的气象特征具有空气湿润,春早夏长、冬暖多雾、秋雨连绵 的特点,年无霜期天左右。 据市气象局资料:车站所处地区多年平均气温.?,月平均最高气温是 月为.?,月平均最低气温在月为.。,日最高气温.。,日最低气温 一.。;多年平均降水量.左右,降雨多集中在~月,其降雨最高达 .左右,多年平均日最大降雨量.,小时最大降雨量可达.。 湿度:多年平均相对湿度约%,绝对湿度 .左右。 风向:主要风向为北风,全年平均风速为./左右,最大风速为./。 ..地质构造 车站所处地区位于磁器口向斜东翼,岩层呈单斜产出,岩层倾向。,岩层 倾角。。根据区域地质资料,地应力条件简单,应力水平极低。区内无断层, 地 质构造简单。 根据场地基岩露头地质测绘调查,基岩内裂隙发育程度为不发育,岩体呈块 状结构。层面结合差,层面局部充填粘性土。裂隙发育情况如下: ?组倾向。。,倾角。~。,为软弱结构面,裂隙微张~闭合,一 般钙质充填,裂面平直,延伸,间距~/条,为硬性结构面,结合差。 ?组倾向。,倾角。~。,为软弱结构面,裂隙微张,局部为粘性 土充填,裂面较平直或微弯曲,延伸~,间距~/条,为硬性结构面,结合 差。 ..地层岩性 车站所处地区出露的地层由上而下依次可分为第四系全新统填土层 、残 坡积层和侏罗系中统沙溪庙组沉积岩层。各层岩土特征分述如下: ?第四系全新统 素填土:褐色,灰褐色,由粘性土、砂、泥岩块碎石等组成。块石含重庆大学 硕士学位论文 量一般~%左右,粒径~般 ~,局部可达,泥岩碎块石风化较 明显。填土除金渝大道段为碾压回填,回填时问约~年,结构稍密~中密状外, 其余地段填土为随意抛填,结构均为松散~稍密状,为新近回填,回填约年,钻 孔揭露最大厚度为 .。根据土的物质组成及土样的室内腐蚀性分析试验,土 对 混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋以及钢结构均无腐蚀性。 粉质粘土:黄色,灰褐色,可塑。切面稍有光滑,干强度、韧性中 等,无摇震反应,残坡积成因,钻孔揭露最大厚度。。根据土的物质组份以及 样品的室内腐蚀性分析,土对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋以及钢 结构 均无腐蚀性。 ?侏罗系中统沙溪庙组 砂质泥岩:紫褐色,砂泥质结构,中厚层状构造,主要由粘土质矿物组成, 局部含砂质较重。表层强风化带厚度一般.,..,强风化岩芯呈碎块状,手 捏易碎,风化裂隙发育,岩芯采取率较低;中风化岩芯呈柱状、长柱状,裂隙不 发育,完整性较好,为场区内的主要岩层。 砂岩:灰色,灰白色,细~中粒结构,中厚层状构造,钙质胶结。主要矿 物成分为石英、长石。砂岩强风化层厚度.一..,强风化岩芯多呈黄色、黄 灰色,碎块状、质软;中风化岩芯呈柱状、长柱状,裂隙不发育,完整性较好, 砂岩为场区内次要岩石,多呈透镜状夹于砂质泥岩之问。 ..水文地质条件 车站所处地区为构造剥蚀构造丘陵斜坡原始地貌单元,经后期人工改造,场 地大部分地势平坦,场地内上部主要为素填土以及粉质粘土,下伏基岩主要 为砂 质泥岩,局部夹砂岩薄层,地下水主要为松散土层上层滞水和基岩裂隙水,主 要 补给来源为大气降水,无统一地下水位,受季节影响变化大。 上层滞水主要位于松散土层中,根据抽水试验结果,南部新近填土因结构松 散~稍密,不均匀,土层的渗透系数较大,为./,透水性中等,北部碾压回 填的填土结构稍密~中密,相对较均匀,土层的渗透系数相对较小,为./, 透水性弱。 基岩裂隙水水量较小,一抽即干,水位恢复较慢,基岩中的地下水较为贫乏, 渗透系数较小,基岩的渗透系数为.~.,透水性弱。但在雨季,地表水易 沿裂隙渗入,同时由于施工开挖、爆破等原因,裂隙贯通,也可能造成地表水 的 大量下渗。 ..场地稳定性及地震效应 拟建场地抗震设防烈度为度,设计基本地震加速度值为.,地震动反应 谱特征周期为.。场地内土层厚度为~.,场地内土层等效剪切波速为 礼嘉车站工程概况 ~/。车站部分位于岩石中,为抗震有利地段;局部通道位于土层中,为 抗震一般地段。 拟建礼嘉车站场地范围内未发现滑坡、断层、泥石流等不良地质现象。场地 现状地势平坦,仅在南侧和北侧存由于人工改造形成的边坡,南侧为土质边 坡, 高度,坡角约。,填土结构松散,不均匀,在坡顶出现少量变形裂缝。南侧 填土边坡沿老地面滑动的稳定性系数为.,沿基岩面滑动的稳定性系数为., 为欠稳定状态。 ..地面建筑 拟建礼嘉站场地内的主要构筑物为金渝大道,但由于隧洞埋深较大,对其基 本无影响。 ..不良地质现象 拟建车站范围未发现断层、滑坡、软弱夹层、危岩和崩塌等不良地质现象。 .场地试验测试资料及设计参数 ..波速测试 根据地勘波速测试成果,岩体波速~ /,完整性系数.., 场地内岩体较完整~完整,场地内土层等效剪切波速为~/。 ..重型动力触探试验 根据重型动力触探试验.结果,场地内的填土为近填土,为抛填,均 匀性差,结构松散~稍密。 ..水文测试 根据礼嘉车站勘察报告,地下水主要为基岩裂隙水,一抽即干,恢复也较慢, 说明基岩中的水量较小。局部受水库排泄沟渠的影响,水量较大,填土的渗透 系 数为./,为中等透水,单孔涌水量为./:.;北部填土和粉 质粘土的渗透系数为. /,为弱透水,单孔涌水量为./., 但在雨季,地下水量将增大。 场地地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中钢筋无侵蚀性,对钢结构有弱 腐蚀性。岩石的透水率为..,单位吸水量为.一. /., 渗透系数为..,为弱透水层。 ..岩、土体设计参数 由礼嘉车站勘察报告可得,设计参数建议值按不同岩性,不同风化程度分别 提供: ?物理性质指标不折减,直接使用岩土相应指标的平均值。 ?岩质地基承载力特征值的确定:浅基础条形基础和独立柱基础地基承载力 重庆大学硕士学位论文 特征值.,其中为岩石饱和单轴抗压强度标准值,对于粘土质岩可取自 然抗压强度标准值;、,为折减系数,根据岩体为块状结构类型及结构面不发 育的 基本情况,本场地取.。 ?岩质地基基本承载力:依据岩体完整性、岩体裂隙发育程度、岩块单轴饱 和抗压强度标准值查《铁路工程地质勘察规范》?附录确定。 ?内摩擦角、内聚力由岩石试验值折减而成,其中内摩擦角按.折减, 内聚力按.折减。 ?岩体抗拉强度按岩石试验标准值折减而成,折减系数取.。 ?岩体弹性、变形模量根据岩石室内试验成果平均值按.折减后提供。 ?岩石泊松比可视为岩体泊松比。 ?弹性抗力系数、挡墙基底摩擦系数特征值根据岩石试验成果并结合现行国 家标准、规范及地区经验提供。 ?锚杆砼与岩石的粘结强度特征值根据《建筑边坡工程技术规范》 .表..?,结合重庆地区建筑经验提供。 ?岩体基本质量等级:根据岩石坚硬程度和完整程度进行岩体基本质量等级 划分:砂岩?级,砂质泥岩?级,强风化级。 其它参数根据试验成果或地区经验,再结合本工程的特征确定。礼嘉车站相 关设计参数参见表.所示。 表.岩十物理力学设计参数 :垒呈至:鱼呈塑里垫翌里垒旦垒兰里垒垒里鱼坐旦垒垒翌里垒垒旦竖翌旦 垒翌坐呈旦 粉质粘 中风化砂 中风化砂结构 填土 士 岩 质泥岩 面 . . . 重度/ . . 自然抗压强度 . . 饱和抗压强度 地基承载力特征值岩石地基的基本承载力 . 木 . . 内摩擦角 . 内聚力 抗拉强度 变形模量 弹性模量 .. . 泊松比 . ’礼嘉车站程概况 一 ??????????????????????????????????二二????????一 ??????????????????????????????????????????????????一 粉质粘 中风化砂 中风化砂结构 填十 ~? 圭 堂 重塑堂 亘 弹性抗力系数/ 基床系数 / 锚杆砼与岩石粘结强度 . .木 围岩与圬:的摩擦系数... . . 压缩模量 压缩系数一一 . 一 ???????????????????????????二????????????????????????????????一 注: 带“木”者为查表或经验值 .本章小结 简要介绍了礼嘉车站的设计情况、场地工程地质条件及岩土设计参数,为围 岩压力的理论计算,利用数值模拟进行围岩压力拱特征和开挖过程中围岩压 力的 变化情况研究提供了基础资料。重庆大学硕士学位论文 特人断面小净距地下车站围岩压力计算方法 特大断面小净距地下车站围岩压力计算方法 由于特大断面小净距地下车站自身的特点,具有高风险性,必须采用较为安 全的措施和施工方法进行风险控制。根据小净距隧道的设计和施工经验,采用先 开挖一个洞,待其二衬全部做好或二衬超前后一个洞掌子面~倍洞径时再开挖 后洞较为安全。为了从理论上分析特大断面小净距地下车站施工过程中的围岩压 力,本文从先行洞开挖相当于单洞和后行洞开挖相当于双洞两个方面进 行理论计算分析。 .先行洞开挖围岩压力理论计算 先行洞开挖时,与单洞开挖一样,隧道内外侧围岩压力对称分布,其荷载模 式和计算方法也与单洞隧道一样。隧道在开挖后产生的围岩压力主要表现为松动 压力。开挖隧道引起围岩松动和破坏的范围不同,有的可以达到地表,有的则影 响较小。对于深埋隧道其波及的范围仅涉及到隧道周围的一定深度,作用在衬砌 结构上的围岩松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力,这主要是 由于围岩的“成拱作用”造成的。 围岩压力的松散体理论是科学家在大量观察地下洞室开挖后的破坏特性,经 分析而得来的。当地下洞室处于浅埋时,洞室顶部在洞室开挖后将产生较大的沉 降,甚至会出现塌落或冒顶等现象。基于这些破坏形式,建立了以应力传递、岩 柱重量等计算方法,如全土柱理论、比尔鲍曼理论等。当隧道处于深埋状态时, 开挖结束后往往仅有洞室周围的部分岩体发生塌落,在这过程中,上部岩体进行 了应力的重分布,从而形成了自然平衡拱,而作用在衬砌结构上的荷载即为自然 平衡拱内的围岩自重,其常用的计算方法有普氏理论、泰沙基理论以及隧道设计 规范等【。 ..界定深浅埋的计算理论 隧道浅埋、深埋两种围岩压力计算公式是在松散体理论分析隧道围岩压力的 基础上建立起来的。由松散体理论分析隧道浅埋和深埋的围岩压力基本假定,可 以知道土体塌落分为整体塌落和局部塌落两种。当隧道的埋深较浅时,地层不能 形成有效的自然平衡拱,上覆土体压力全部由支护结构承担,土体的塌落为整体 塌落。当隧道的埋深较大时,地层中能够形成有效的自然平衡拱,不挖引起的应 力重分布只能达到隧道周围一定范围,支护结构只承担部分上覆土体荷载, 土柱 的局部塌落便是地层压力的必要条件。 隧道深浅埋条件下围岩压力计算方法不同,其结果迥异。由于影响围岩压力 重庆大学硕士学位论文 的因素较多,到目前为止还没有一个十分有效的划分隧道深浅埋界限的方 法。但 是,以下三种划分理论较为常见。 ?按塌落拱理论划分【 当隧道上覆地层厚度?.~.为隧道塌落拱高度时为深埋;当 隧道上覆地层厚度.~.。时为浅埋。 影响塌落拱形成的因素较多,有时需要验算塌落拱的强度和稳定性,作为补 充条件来划分浅埋、深埋。 ?经验判断法【】 松散地层地铁隧道深浅埋分界深度为: . 分界.~. 式中:为隧道的跨度。 还 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 分界?.~. 为塌落拱高度 ?理论估算公式】 在比尔鲍曼理论的基础上,用求导的方法可以求得日戕,认为日双就是分界 深度日分界。当隧道上覆地层厚度?日分界时为浅埋;当隧道上覆地层厚度 日分界时为深埋。比尔鲍曼理论只适用于?时内摩擦角小于。的浅埋情 况。 三, ‰一言卜云 式中:。一/,。一矽/; 。一缈/,为塌落拱半跨; 为隧道跨度之半;办为隧道高度; 为土层的粘聚力;讷土层的内摩擦角。; 为围岩重度/。 目前,欧美国家应用的划分方法为:当上覆土层厚度?.,为压力拱半 跨时,认为隧道为深埋;当上覆土层厚度,时,认为隧道为浅埋【。 ..常用围岩压力理论 ?全土柱理论 当隧道埋深很小,破坏面趋于地表,计算时忽略滑动面上的摩擦阻力,作用 在支护结构上的荷载为上覆土柱的全部重量【 ,则 . 皿 侧向水平压力为 . 脚 . 攻办名特大断面小净距地下车站围岩压力计算方法 式中旯。一罢,为隧道开挖高度,为隧道埋深,妒为围 二 岩的计算摩擦角。 工程实践和试验均表明,当土质较好或隧道埋深较大时,用全土柱理论计算 的作用在衬砌结构上的围岩压力结果偏大。 ?普氏理论 普氏将岩体视为散粒体,提出了岩体的似摩擦系数.厂的概念。岩体的抗剪强 度为妒,现在将岩体视为散粒体,同时保证其抗剪强度不变,即:‖, 则 . 厂:三:??:妒三:‰ 式中 妒,‰分别为岩体的内摩擦角和计算摩擦角; 石盼别为岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力; 岩体的粘结力。 普氏提出了“塌落拱”的概念,在此基础上得到了计算围岩松动压力的计算 方 法。他认为地下洞室在具有一定粘结力的松散地层中开挖后,如不及时支护, 洞 顶岩土将不断垮落直至形成一个抛物线形状的拱形,叫做塌落拱。这时,作用 在 支护结构上的围岩压力就是塌落拱拱体内与衬砌结构间破碎岩体的重量。塌 落拱 拱高表达式为 . 庀 式中 办。为塌落拱高度; 易为塌落拱半跨度。 在松散岩体中,洞室侧壁在开挖时受到扰动产生侧移,塌落拱的跨度也相应 增大,如图.所示。 . :,,?。一婴 么 式中 为塌落拱的跨度; 日,为隧道的净高; ,为隧道净宽; 岩体的计算摩擦角,‰仨重庆大学硕士学位论文 厂‘乃。 工 、一。 六 毯 ?一 瓜 \ 、 罐箩串 窖, ~ 。‘ 一 苫 二 一 图.普氏理论计算简图 ’ ..围岩垂直均布松动压力为 . 加七 式中 印为围岩垂直压力; 伪围岩容重。 作用在衬砌结构上的围岩水平压力为 . :魄。一婴 . 瓶 。一了 在松散、破碎围岩中普氏理论较为适用,其计算结果在软岩中比实际值偏小, 在硬岩中比实际值偏大【】。 ?泰沙基理论 泰沙基同样将岩体看作是散粒体‘。泰沙基认为隧道开挖导致上方的岩体变 形下沉,并且会产生如图.所示的错动面,假定竖向作用力矾,是均匀分布 的,则相对应的水平方向的力仃,七为侧压力系数。从离地面为而深度 处取出一条厚度为砌的水平带,其平衡条件为: . 得到 . 十一十忌仃 ‰锄一弘扬 展开后得到 望堡 一: . ?々 ,一? 。 特大断面小净距地下车站围岩压力计算方法 解此微分方程,并且引入边界条件时,吼,司以得剑隧遭上万任恿 一点岩层的竖向均布压力为 七四 旷志嘻 一庀吐?一 逐渐变小并最终趋近于 由上式可以看出,随着隧道埋深的增大, ,盯。逐渐增大并最终趋近于一个定值,即 . 矿.:生一 ‰ 泰沙基根据实验结果得出~.,一般取,则有 七四 七??’ 舰 一,等呐 此时便与普氏理论计算公式相一致,至于围岩的侧向压力可以采用郎肯主动 土压力理论来计算,隧道拱顶和拱底处的围岩水平压力可以表示为 . : 。一冬 . :‖。一婴 矗一旦丑 口 ????????“ 图.泰沙基理论计算简图 .。 ?比尔鲍曼理论 工程实践和试验均表明,随着隧道埋深增加或者工程地质较好时,全土柱理 论的计算结果比实际值偏大,于是发展起来了考虑土柱两侧摩擦力和粘聚力 的比 尔鲍曼理论,如图.所示。 ? “重庆大学硕十学位论文 洞室上方的土柱向下滑动时,两侧将产生两个滑动面和,和 面与垂直线的夹角为一/,作用在衬砌结构上的垂直方向的围岩总压力等 于隧道上方土柱的重量减去两侧面、上夹制力,即 . 一 如图.所示,夹制力为粘聚力和摩擦力之和,其中土柱侧面上任意一点处的夹 制力为 . 式中 为深度处的水平侧压力/,按郎肯公式可得 七, 。一%砌。一% 、妫土层的粘聚力和内摩擦角; 伪土层容重。 图.比尔鲍曼理论计算简图..丁施 了膨攻。% . 一日缈,。一%吾归? 式中:。妒甜。一%,:妒。~%。 所以,作用在衬砌上的垂直压力总值为 一丁,??、 . 砌?膨卜芸即吖特大断面小净距地下车站围岩压力计算方法 式中:口口厅。一%,口。为土柱宽度的一半; 为隧道跨度的一半; 为隧道高度。 作用在隧道衬砌顶部的垂直均布压力为 七, 矽卜芸即南七 七, 铲卜‰?一南七 式中 庇月为比尔鲍曼理论塌落拱高度。 对求导可得围岩压力为最大值时的埋置深度为: . ‰ 计一南 上式表明当大于默时,围岩压力将减小,与实际情况不一致。故上述理 论只适用于?舣的情况。 ?隧道设计规范公式 单洞隧道深埋与浅埋的判定,应按式.来判断, . ~.。 . 办。竺 式中:。为深埋、浅埋隧道的分界深度; 。为荷载的等效高度; 为按式.计算得出的深埋隧道围岩; 为围岩重度。 级围岩取 当采用矿山法施工时,?~?级围岩取.; .口。 深埋隧道 当隧道为深埋时,其拱部垂直围岩压力可按下列公式计算: . 加 .×?国 . . 一 式中:为围岩垂直均布压力/; 为荷载等效高度; 为围岩重度/; 为围岩级别;重庆大学硕学位论文 功为宽度影响系数,按.式计算; ,为隧道最大开挖跨度,应考虑超挖影响; 为,每增减时的围岩压力增减率,以,的隧道围岩竖向均匀压力 为准;当时取.;当时取.。 当隧道围岩质量为~级时,其水平压力为: . 徇 . 力:。一堕、 式中:为围岩均布水平压力/; 名为侧压力系数,可按式.计算,也可按表.采用; 口为围岩垂直均布压力/; 为围岩计算摩擦角。; 当围岩质量为?~?级时,其水平压力按梯形荷载计算: 隧道拱顶水平压力可按式.来计算。 隧道边墙底部的水平压力可按式.来计算: . 彳声 式中:为边墙底部水平压力/; 五、分别为侧压力系数和围岩垂直均布荷载; 为围岩重度/; ,为隧道开挖高度; 表.围岩侧压力系数 垒垒曼三:墨坠坚竺旦旦旦里竺竺垦堂皇垒旦旦旦星鱼旦皇堕里呈坐 围岩级别 、 ? ? 侧压力系数允 . .~. .~. .~. 浅埋隧道隧道荷载分布如图.???????????三兰塑型:堡坚些.主塑垦堂墨垄 盐簦銮鲨 图.隧道荷载分布示意图.. 浅埋无偏压单洞隧道当埋深小于等于%时,垂直压力为: 芦 . 式中:为隧道围岩垂直均布压力澍/: /为隧道上覆围岩容重/: 为隧道埋深: 侧向压力为: . 等伽卜手 式中:为侧向均布压力/: ,为隧道的开挖高度; ,、同式. 纯为围岩计算摩擦角。; 垂直压力为: 浅埋无偏压单洞隧道当埋深大于办而小于等于日时, . 珂卜半 式中:为隧道开挖跨度; 、同式. 臼为顶板土柱两侧破裂面摩擦角。,经验值,当无实测资料时可按表. 采用; 五为侧压力系数;‘. ?/ 五瓦面丽而而/而瓜碉 ‖【‖纯一臼纯秒 表.各级同岩的值???????????????. ???????????????????????? ? 鱼量堡型 ? :: : ?????????????????????????????????????????????一一: .纯 ..纯 一.值 ..纯 ..仍 : ??????????????????????????????????????????????二???????一一:: ‖为产生最大推力时的摩擦角。。 眈 . 仂一丹 侧向压力为: 膨五 . 式中:,为内外侧任意点到地面的距离: 、同式. ..计算结果 根据以上理论,选取礼嘉车站某典型断面开挖跨度为.,开挖高度为 ?,并结合围岩物理力学参数表可以计算出先行洞开挖时不同埋深 情况下的围岩垂直压力如表.,水平压力如表.。 表.围岩物理力学计算参数???????. ????????? 围岩容重丫弹性模量、舯钏比内聚力内摩擦角计算摩擦角顶板土柱两侧摩擦 ‘。。“。 。 堡酆些:堂皇兰竺兰堕 哆九荔一:?” 一?????????????????????????????????????????????????????????一 』二上堑??塑?坠里些 主主 丝 表.小同埋深的围岩垂直压力 ????????. ?????? ???????????? 埋深 全土柱理论 普氏理论 泰沙基理论 比尔鲍曼理 公路隧道规 翌 堡堕 论 壁垒 范 兰 竺: ??????????????????????????????????????????????????????兰二?一 ?? . . ~ . . .. ??型???』堕???型坠 呈垒:兰 :竺 兰丝: 表.不同埋深情况下的围岩水平压力 旦坠里:主堕坠塑兰旦望丝巳望竖堡垒星坠坚竺坠里鱼里翌里垦坐垒壁望坐鱼皇巳皇 普氏理论 泰沙基理论 比尔鲍曼理论 公路隧道规范 埋深 全十柱理论 注:为拱顶处围岩水平压力,为边墙底部围岩水平压力。 通过分析和以往工程实践发现,全土柱理论在计算深埋情况时计算结果偏大, 只适用于浅埋情况;普氏理论只适用于深埋情况;泰沙基理论随着埋深的增大其 值与普氏理论计算结果较为接近;比尔鲍曼理论只适用于?。。。、内摩擦角小 于的浅埋情况。许多学者通过研究指出上述常用围岩压力理论计算特大断面隧 道时其计算结果偏于保守,原因在于上述理论是基于跨度小于等于时,认为 隧道一次性开挖推导出来的。而特大断面隧道一般为分步开挖,故其实测围岩压 力往往比理论计算小。限于目前特大断面隧道的复杂性,目前还没有一种成熟的重庆人学硕士学位论文 理论来计算大断面单洞隧道的围岩压力。 .后行洞开挖围岩压力理论计算 ..小净距隧道深浅埋的划分方法 同时结合地质条件、 小净距隧道深埋与浅埋的划分主要依据荷载等效高度, 施工方法等因素。可以按照式。和式.来判定: . ~.口 . 玎口十 式中:。为小净距隧道深埋与浅埋的分界深度; 。为深埋小净距隧道拱部内侧围岩垂直压力的荷载等效高度; 。,为深埋小净距隧道基本围岩垂直压力的荷载等效高度,按 式.计算; 办:,为深埋小净距隧道内侧附加围岩垂直压力的荷载等效高度,按 式.计算。 ..深埋小净距双洞隧道围岩压力的计算 小净距隧道的围岩压力与许多因素有关,实验研究表明,隧道开挖方式和中 夹岩柱的加固对小净距隧道围岩压力的大矛平衡拱的形成影响最大【引。 小净距隧道平衡拱的形成主要有以下两种极限情况: ?隧道开挖方式及中夹岩柱体加固措施均合理。两侧洞室之问无影响,仅在 各 自上方形成稳定的平衡拱。 ?隧道开挖方式及中夹岩柱体加固措施均不合理。两侧洞室之间互相影响, 最 后在上方形成一个共同的平衡大拱图.。 图.小净距隧道两种极限平衡拱 .. 中夹岩柱通过加固,其承载能力得到提高。通常,小净距隧道的平衡拱是介于 以上两种极限状态之间。 深埋小净距隧道围岩压力主要有基本松散压力和附加松散压力组成,可 按以下方法计算‘图.~图.: 固.盈蠲碉知; 掣 豆竖?【圆噩隧盈 ,瑟吼墨?譬臣罱翻目屹 图.小净距隧道荷载分布示意图 .. ; 直~。?、。一?~??。。日珑?一一?。 日 。琊乒 ,二 图?小净距隧道荷载计算示意图印 . 印 图.小净距隧道荷载计算示意图妒 . 印 唧舅冒躺爿酋一屹